新興信息技術手段在隧道工程施工中的應用

吳 昆

山東交通職業學院，山東 濰坊 261206

1 引言

交通運輸是國民經濟中基礎性、先導性、戰略性產業，根據“2018 年交通運輸行業發展統計公報”數據顯示，截至2018年末我國公路通車總里程已達484.65 萬km，其中公路隧道已有17738 處，共計1723.61 萬m。交通運輸基礎設施建設在巨大的市場需求中正在追求更高質量的發展，而隧道施工相關建設管理水平、技術質量標準也在逐步提高與完善，新興信息技術手段與傳統施工的有益互補也在日趨凸顯。

2 工程概況

G220 陶莊至平陰東平界段改建工程黑風口隧道項目地處濟南市平陰縣，具體位于平陰縣玫瑰鎮、東阿鎮與刁山坡鎮交界地帶的山坳里，北面是山坡，東、西面是山體，南面是山溝。黑風口隧道分左右兩幅，長度均為440m。兩幅隧道間凈距約13m，為小凈距短隧道，左、右幅均位于直線段上。隧道V 級圍巖共有116m，Ⅳ級圍巖共有476m，Ⅲ級圍巖共有288m。

3 信息技術手段的應用

近年來，隨著深度學習的興起，信息技術迎來了一個新的發展熱潮，許多新產品不斷出現并應用到了社會生產生活的各個領域。交通土建行業作為我國傳統的體量巨大的支柱型行業，也必將在信息技術的推動下實現產業的進步與升級。

3.1 監控量測

監控量測是在隧道施工過程中，采用專用儀器和工具對圍巖和支護結構的變形、受力以及相互關系進行觀測，并對其穩定性、安全性進行評價。監控量測是確保隧道施工安全、結構長期穩定的重要預警手段，可及時收集圍巖和支護結構的動態響應，為優化施工方法、調整支護參數，研判關鍵工序開展時間提供了有力依據。通過開展有效的隧道監控量測，建立并完善相應預警機制能夠最大程度地降低隧道開挖的安全風險，減少坍塌、冒頂等帶來的施工損失。在監控量測過程中，如何對隧道圍巖及支護結構進行準確地變形識別、變形定位及變形量化是施工的難點之一，監控量測的目的就是要提出準確可靠的監控量測方法，從而及時地掌握隧道變形狀態，為采取合理有效的防護加固措施提供科學依據。信息技術的深化應用，為隧道施工監控量測提供了物聯網等新興技術手段。在黑風口隧道監控量測中基于BIM 和GIS 平臺開展了隧道信息化施工技術研究，技術方法是在監控量測環節充分發揮物聯網全方位采集信息的能力，將所采信息導入BIM 平臺實現動態預警與協同管理，依靠GIS 平臺實現人員、設備的定位追蹤，提高工程管理水平。相比于人工采集數據，物聯網優勢明顯，它可以實現數據收集的連續性與可靠性，降低了施工成本與風險。隨著科技發展和信息化時代的來臨，使用智慧平臺進行工程管理也是大勢所趨，蘇州科技大學的錢程利用機器視覺與無線通訊技術設計了一套基于機器視覺的無線自動監測系統，實現對橋梁應變、裂縫、位移、索力的長期監測，該監測系統有助于建立全過程動態管理體系［1］。

3.2 全過程管理

BIM 技術可以構建一個虛擬建造環境，搭建了實時溝通的便利平臺，可以實現信息共享，優化施工過程控制與管理，提高利潤［2］。在G220 黑風口隧道的施工過程中，依托合肥工業大學BIM 技術應用與開發課題組的團隊優勢，采用BIM 技術開展了施工全過程管理，主要完成了以下九項工作：隧道主體結構三維可視化查看與技術交底（不同圍巖等級主體結構等）、施工工藝模擬（CRD 法、CD 法及臺階法等）、施工進度模擬及控制、基于模型的施工資料與信息集成平臺（質量標準、主體結構信息、二維圖紙等）、隧道主體質量安全標準樣板（大管棚、各圍巖等級主體結構、配筋構造等）、工程量統計（開挖工程量、工程量自動計算等）、移動端模型信息查看與注釋（隧道主體結構、質量安全標準樣板等）、施工協同平臺（基于云平臺的PC 端、網頁端、移動端模型）、VR 審閱與查看（隧道主體區、虛擬樣板區、進度和工藝模擬區）。黑風口隧道施工協同平臺的搭建集成了隧道施工全部工程信息（如設計參數、生產安裝、養護管理、工序驗收等），協同平臺歸納研判，移動終端一線貫穿，共同實現黑風口隧道施工全過程的智慧管控和質量追溯，有效解決現有施工過程調度管控不力、信息溝通不暢、責任界定不明、補救措施不當的現狀。

3.3 通風分析

無論是隧道施工過程還是運營階段，均對其通風性能提出了較高的要求。近日來交通運輸部先后頒布了兩項重要規范，《公路瓦斯隧道設計與施工技術規范》（JTG/T 3374-2020）與《公路工程節能規范》（JTG/T 2340-2020），兩項規范均對通風指標作出了相關要求。由于隧道施工中瓦斯涌出的不可預見性和突發性，導致公路瓦斯隧道勘察難度較大、施工風險較高，因此其施工過程及正常運營均需考慮瓦斯濃度的影響，這決定了公路瓦斯隧道的防控與檢測不可能一勞永逸。公路瓦斯隧道施工運營期間通風需風量計算具有特殊性，一方面要滿足普通隧道正常通風的要求，另外尚應考慮瓦斯積聚的特殊工況，因此規范要求風速不應小于1.0m/s。施工通風是合理控制洞內瓦斯濃度，確保施工安全及工人新鮮空氣供應的根本手段，因此需要對有害氣體濃度進行動態監測，及時調整通風系統參數，避免出現通風盲區，確保通風能力滿足各用風地點的風量要求，即瓦斯濃度越高的隧道對風速的要求就越高［3］。在隧道運營階段，通風與照明是運營能耗的主要構成部分，通風系統的規模并不是隧道通車才最后決定的，而是與隧道場址和結構方案的選擇等環節均息息相關?！豆饭こ坦澞芤幏丁分赋?，隧道通風設計要選擇經濟節能的通風方案和運營通風控制策略，應綜合考慮公路技術等級、工程特點、設計交通量、自然條件等因素，同時要充分利用自然通風［4］。因此要采用相應的信息技術手段，模擬預測隧道通風需求，為工程設計及通風方案的優化調整提供建議。黑風口隧道工程施工不存在瓦斯這一危險氣體，技術人員研究的重點集中在爆破粉塵等有害氣體的擴散及通風方案的節能優化上。技術人員以ICEM 軟件建立了隧道洞身模型，并進行了網格的劃分，采用計算流體動力學（CFD）專業軟件FLUENT，發揮多種湍流模型的優勢，對隧道通風狀況進行了數值模擬計算，實現了對爆破粉塵、汽車尾氣等污染物擴散的精準模擬，并對二次襯砌澆筑面、掌子面等廢氣易積聚的局部區域進行重點分析，同時模擬了隧道通車后的洞內流場分布，為通風機、空氣引射器等設備的布置提供了依據。

4 結語

實施創新驅動發展策略，傳統隧道施工產業與現代信息技術的有機結合，可以建立掌控整體、兼顧局部的綜合評定方法。以現代信息技術助力智慧交通建設，產、學、研、用共同發力，可顯著提高交通基礎設施建設管理水平，進一步引領交通基礎設施建設過程的信息化、智能化，具有良好的工程應用前景。